海院科研动态（79）| 深海稀土定年技术与富集时间规律研究取得重要进展
深海富稀土沉积物被认为是一种潜在的稀土矿产资源，其总稀土含量可高达8000 ppm，并且含丰富的中重稀土资源。现有研究已发现，稀土元素含量与磷酸盐呈正相关，厘定了沉积物中最主要的稀土赋存矿物是生物质磷灰石（图1）。然而，深海稀土富集的时间规律研究还十分薄弱，阻碍了成矿理论发展和后续的资源勘探开发。
图 1 IODP岩芯和西太平洋富稀土沉积物中的鱼牙样品BSE 图像
(A) 来自 IODP Leg 199 站点1218A-7H-1的整颗鱼牙，深度56.5 m；(B) 牙釉质的纤维质地，其中有细小裂纹；(C) 牙髓被溶解的鱼牙，其牙釉质部分相对完整；(D) 中空的鱼牙中填充了大量微化石；(E & F) Cyclicargolithus Floridanus 和 Discoaster Calculosus微生物化石；(G) 来自西太富稀土沉积物中的保存完好的鱼牙；(H) 鱼牙显示出根部破裂但尖端完整的结构；(I) 构成鱼牙的微米级羟基磷灰石晶体
已有研究认为，鱼牙中稀土富集发生在鱼类死后100年到10万年间，并伴随着去有机质的过程（Kohn and Law, 2006）。生物磷灰石中的稀土含量与几千年到4亿年稀土富集程度相当，也从另一方面说明了稀土在很短时间内进入其中，并长时间保持不变（Finlay et al., 2013）。同时，模拟实验证明，生物磷灰石是一种比氟磷灰石更好的核污染吸附剂，仅需4万年左右的时间，U元素就可以被完全富集（Trueman and Tuross, 2002）。原位分析结果显示，鱼牙中稀土元素和U-Pb年代学的U元素含量呈正相关，说明鱼牙中的稀土元素和U元素同时进入其中（图2）。因此，生物磷灰石U-Pb年代学能够代表相应层位的稀土富集时代。
图 2 生物磷灰石（鱼牙）牙釉质部分激光微量元素分析结果显示，U和REY含量呈正相关关系
基于以上研究，我院海洋地质与地球化学研究团队开展了深海沉积物中生物磷灰石的U-Pb年代学研究工作。研究团队获取了具有较好年龄框架的IODP钻孔样品，挑选其中的鱼牙开展了生物磷灰石U-Pb年代学验证。结果表明，IODP钻孔中鱼牙U-Pb定年结果与微体古生物年代在误差范围内一致，说明生物磷灰石U-Pb年代计较为可靠。在此基础上，研究团队将磷灰石U-Pb年代学应用于西太平洋富稀土沉积物样品中，U-Pb定年结果从底部到顶部为6.22百万年到2.16百万年（图3），同时该年代学还得到了鱼牙原位Sr同位素结果的验证（图4），有效证明了该区域内存在一期中新世稀土矿化事件。该方法的成功运用将有助于各个海域的稀土富集时代研究，并揭示沉积物不同深度稀土富集事件。
图 3 西太平洋富稀土沉积物中鱼牙的U-Pb Wetherill谐和图，数据椭圆和年龄误差均为2σ
图 4 鱼牙牙釉质原位Sr同位素结果与全球海水Sr同位素对比图
以上研究成果发表于中科院大类一区期刊《Geology》（Dengfeng Li *, Jinzhou Peng , David Chew, Yongjia Liang, Pete Hollings, Yu Fu , Yanhui Dong, and Xiaoming Sun, 2023. Dating REE enrichment in deep-sea sediments using U-Pb geochronology of bioapatite.），论文第一作者及通讯作者为我院李登峰副教授。
该研究得到了国家自然科学基金 （NSFC） （42272066、41972070 和 41702067）资助，并申请使用了广州海洋地质调查局和国际大洋发现计划 （IODP） 提供的样品。生物磷灰石U-Pb年代学在新奥门31999新奥门31999海洋沉积物地球化学实验室测试完成。
